reklama
1. Wstęp
Wyposażenie pomiarowe stanowisk tworzą gotowe przyrządy pomiarowe, takie jak analizatory mocy, induktory lub cyfrowe mierniki rezystancji, przekładni transformatorów lub skonstru- owane na potrzeby laboratorium badawczego, składające się z przetworników pomiarowych i kart akwizycji danych. Rzeczy- wiste przyrządy pomiarowe komunikują się z systemem pomia- rowym za pomocą interfejsu komunikacyjnego (GPIB, RS232, RS485, USB itp.). System oparty na kartach pomiarowych ma zapewnioną komunikację poprzez odpowiednie umieszczenie karty pomiarowej w złączu PCI, PCIe, USB itp. i zainstalowanie sterowników. Stanowisko takie może pracować pod nadzorem oprogramowania pomiarowego dopasowanego do wymogów i nadzorującego proces pomiarowy, edycyjny i archiwizacyjny.
Zastosowanie takiego oprogramowania umożliwia również zapis w chmurze czy publikowanie wyników w internecie lub sieci wewnętrznej.
Współczesne cyfrowe urządzenia rejestrujące proponowane są w szerokiej ofercie, zaś ich cena jest uzależniona od częstotli- wości próbkowania, ilości kanałów pomiarowych, jakości zasto- sowanych przetworników analogowo-cyfrowych, możliwości zapisu i prezentacji danych pomiarowych.
Wirtualne przyrządy pomiarowe znalazły bardzo szerokie zastosowanie w instytutach naukowych, szkołach i uczelniach, a coraz częściej używane są też w zakładach przemysłowych produkujących lub remontujących maszyny elektryczne. Za ich pomocą realizowane są badania prowadzone na stacjach prób i w laboratoriach. To właśnie dziedzina maszyn i urządzeń elektrycznych obfituje w bardzo szerokie spektrum zagadnień pomiarowych. Stale obecne są zagadnienia elektryczne, polowe, termiczne, mechaniczne, elektroniczne, zasilania oraz sterowa- nia. W celu wykonania kompleksowych badań należy pobierać wiele różnych sygnałów fizycznych, jak np.: moc, napięcie, prąd, moment, prędkość obrotowa, indukcja, parametry drgań i tem- peratura. Opisane wymagania bardzo komplikują stanowiska pomiarowe oraz zwiększają koszt aparatury [1].
2. Stanowisko pomiarowe
Stanowisko badawcze składa się z czterech zasadniczych elementów: ramy stanowiska, silnika obciążająco-napędza- jącego, przekształtnikowego układu zasilającego oraz pulpitu sterującego [2].
Rama stanowiska jest zwykle podzielona na dwie zintegro- wane ze sobą części (w przypadku, gdy stanowisko ma pełnić funkcję stanowiska uniwersalnego): część stała (rys. 1, część 1) i część ruchoma (rys. 1, część 2) [2].
Nowoczesne stanowiska badawcze
i hamownie wyposażone w wirtualne i tradycyjne przyrządy pomiarowe
Adam Decner, Artur Polak
Streszczenie: W artykule przedstawiono zaprojektowane i wyko- nane stanowiska badawcze i hamownie umożliwiające badanie maszyn elektrycznych. Wyposażenie pomiarowe stanowisk two- rzą gotowe przyrządy pomiarowe, takie jak analizatory mocy, induk- tory lub cyfrowe mierniki rezystancji, przekładni transformatorów lub skonstruowane na potrzeby laboratorium badawczego, składające się z przetworników pomiarowych i kart akwizycji danych. Rzeczy- wiste przyrządy pomiarowe komunikują się z systemem pomiaro- wym za pomocą interfejsu komunikacyjnego (GPIB, RS232, RS485, USB itp.). System oparty na kartach pomiarowych ma zapewnioną komunikację poprzez odpowiednie umieszczenie karty pomiaro- wej w złączu PCI, PCIe, USB itp. i zainstalowanie sterowników.
Stanowisko takie może pracować pod nadzorem oprogramowania pomiarowego dopasowanego do wymogów i nadzorującego proces pomiarowy, edycyjny i archiwizacyjny. Zastosowanie takiego opro- gramowania umożliwia również zapis w chmurze czy publikowanie wyników w internecie lub sieci wewnętrznej.
Słowa kluczowe: maszyny elektryczne, stanowisko badawcze, przyrząd pomiarowy, karta pomiarowa, próby
MODERN TEST STANDS AND
DYNAMOMETERS EQUIPPED WITH VIRTUAL AND TRADITIONAL MEASURING INSTRUMENTS Abstract: Designed and made teststands and dynamometers, which are used for testing of electrical machines are described. The mea- surement equipment of the teststands are traditional measuring instruments, such as power analyzers, inductors or digital resis- tance meters transformer turns ratio, or constructed for the needs of a research laboratory, consisting of measuring transducers and data acquisition device. The traditional measuring instruments communi- cate with the measurement system via a communication interface (GPIB, RS232, RS485, USB, etc.). The communication of system based on data acquisition cards is realized through the appropri- ate placement of a measurement card in a PCI or PCIe slot or through USB connector, etc. and installing corresponding drivers.
Such a teststand can be operated under the supervision of mea- surement software tailored to the requirements and supervising the measurement, editing and archiving process. The use of such soft- ware also enables writing to the cloud or publishing results on the internet or internal network.
Keywords: electrical machines, teststand, measuring devices, data acquisition card, tests
W przypadku badań maszyn jednego lub zbliżonego wzniosu stanowisko może być wykonane bez części ruchomych.
W zależności od przyjętej koncepcji obie części mogą posia- dać stoły z rowkami teowymi, przystosowanymi do montażu różnych obiektów badań (rys. 1, rys. 2) lub mogą być wypo- sażone w gotowe do zamontowania silników stojaki (rys. 3).
Część ruchoma pozwala na pionowy ruch stołu (góra – dół) w określonym zakresie, który może być realizowany za pomocą przekładni [2].
Przedstawione na rysunkach 1–3 hamownie służą do badania maszyn prądu stałego i przemiennego (rys. 1), maszyn prądu stałego przeznaczonych do zastosowań militarnych (rys. 2) oraz silników synchronicznych z magnesami trwałymi do zastoso- wań militarnych (rys. 3).
3. Wyposażenie
Napęd hamowni przedstawionej na rysunku 1 stanowi sil- nik asynchroniczny zasilany z przekształtnika energoelektro- nicznego. Hamownia pozwala na pracę silnika obciążającego we wszystkich czterech ćwiartkach układu współrzędnych moment – prędkość, zapewniając bliski jedności współczynnik mocy oraz quasisinusoidalny kształt prądów wejściowych. Jest to realizowane poprzez zastosowanie dwóch przekształtników energoelektronicznych, z których jeden odpowiada za współ- pracę z siecią zasilającą (prostownik tranzystorowy), a drugi zasila silnik klatkowy (falownik silnikowy).
Napęd hamowni przedstawionej na rysunku 2 stanowi prąd- nica prądu stałego zasilana z przekształtnika energoelektronicz- nego. Hamownia pozwala na zwrot energii do sieci zasilającej.
Badane silniki prądu stałego zasilane są również z takiego samego przekształtnika energoelektronicznego, lecz skonfigu- rowanego do pracy silnikowej.
Hamownia przedstawiona na rysunku 3 posiada dwa napędy. Specyficzne procedury badawcze wymagały od sta- nowiska bardzo szerokiego zakresu regulacji prędkości obro- towej 1–4500 obr./min. Zdecydowano więc na zastosowanie jako głównego obciążenia silnika synchronicznego z magne- sami trwałymi oraz pomocniczego silnika asynchronicznego z przekładnią. Główna maszyna obciążająca ma możliwość pracy we wszystkich czterech ćwiartkach układu współrzęd- nych moment – prędkość.
Sterowanie pracą hamowni z rysunków 1–3 odbywa się z odpowiednio wyposażonych pulpitów. Na rysunku 4 przed- stawiono pulpit hamowni 200 kW (rys. 1), na rysunku 5 przedstawiono pulpit hamowni 11 kW (rys. 2), a na rysunku 6 przedstawiono pulpit hamowni 15 kW (rys. 3). Z pulpitów załą- czane są poszczególne urządzenia hamowni, przeprowadzane jest sterowanie parametrami obciążenia oraz wykonywane są pomiary i rejestracje.
4. Oprogramowanie
Dostępnych i użytkowanych jest wiele środowisk programisty, które umożliwiają stworzenie przyrządu wirtualnego. Środowi- sko takie jest dobierane w zależności od potrzeb danej aplika- cji. W Laboratorium Łukasiewicz Komel wybrano środowisko oparte na języku G, który jest językiem programowania gra- ficznego, tzn. wszystkie funkcje, rozkazy i polecenia programu opisane są za pomocą ikon graficznych. Środowisko to może być używane do wykonywania pomiarów, przeprowadzania testów, sterowania przyrządami pomiarowymi, sterowania procesami technologicznymi, wykonywania zaawansowanych obliczeń matematycznych. Najważniejsze cechy wybranego śro- dowiska to m.in. obsługa wielu różnych urządzeń, komunikacja poprzez dostępne porty, intuicyjność, wielowątkowość, możli- wość budowania plików wykonywalnych [3].
Rys. 1. Stanowisko montażowe hamowni 200 kW
Rys. 2. Stanowisko montażowe hamowni 11 kW
Rys. 3. Stanowisko montażowe hamowni 15 kW
reklama Rys. 5. Pulpit sterowniczy hamowni 11 kW
Rys. 6. Pulpit sterowniczy hamowni 15 kW Rys. 4. Pulpit sterowniczy hamowni 200 kW
Oprogramowanie pomiarowe hamowni przedstawionych na rysunkach 1 i 3 napisano w języku G. Oprogramowanie nadzoruje łączność i poprawne funkcjonowanie części pomia- rowej, umożliwia wykonanie nastaw modułów pomiarowych (ich konfigurację), obliczenia wielkości elektrycznych i mecha- nicznych, zapisanie wyników [2]. W hamowni przedstawio- nej na rysunku 2 zastosowano klasyczne tablicowe przyrządy pomiarowe.
Na rysunku 7 przedstawiono wygląd jednego z ekranów przy- rządu wirtualnego, za pomocą którego wykonywane są pomiary, rejestracje oraz generacja raportów z pomiarów i ich archiwi- zacja na hamowni 200 kW (rys. 1).
Rys. 7. Przyrząd wirtualny hamowni 200 kW
Rys. 8. Przyrząd wirtualny hamowni 15 kW
reklama
Rys. 9. Oprogramowanie mostka cyfrowego
Rys. 10. Cyfrowy mostek do pomiaru rezystancji
Rys. 11. Przyrząd wirtualny do badania generatorów synchronicznych z magnesami trwałymi
Rys. 12. Generator synchroniczny z magnesami trwałymi
Rys. 13. Przyrząd wirtualny do badania transformatorów energetycz- nych
Rys. 14. Induktorowy miernik rezystancji izolacji
Rys. 15. Analizator mocy
Na rysunku 8 przedstawiono wygląd ekranu przyrządu wir- tualnego, za pomocą którego wykonywane są pomiary i reje- stracje oraz bieżąca ocena wyników pomiarów hamowni 15 kW (rys. 3).
5. Inne zastosowanie przyrządów wirtualnych
Możliwości środowiska programistycznego powinny być wykorzystane przez programistę w najwyższym stopniu. W sta- nowiskach badawczych mogą być wykorzystane przetworniki pomiarowe i specjalizowane karty pomiarowe, tak jak pokazano
reklama
dr inż. Adam Decner dr inż. Artur Polak
na przykładzie hamowni 200 kW (rys. 1) oraz 15 kW (rys. 3). Oprócz powyższych przyrządy wirtualne stanowią uzupełnie- nie przyrządów pomiarowych, takich jak analizatory mocy, induktory lub cyfrowe mierniki rezystancji, przekładni trans- formatorów itp. Takie oprogramowanie umożliwia i ułatwia gromadzenie wyni- ków pomiarów, generowanie gotowych raportów z prób. Na rysunku 9 przed- stawiono oprogramowanie do obsługi mostka cyfrowego do pomiaru rezy- stancji (rys. 10). Na rysunku 11 przed- stawiono przyrząd wirtualny do badania generatorów synchronicznych z magne- sami trwałymi (rys. 12). Na rysunku 13 przedstawiono oprogramowanie do testowania transformatorów energe- tycznych współpracujące m.in. z induk- torem (rys. 14) oraz analizatorem mocy (rys. 15).
6. Podsumowanie
Zaprojektowane i wykonane stanowi- ska badawcze cechuje modułowa i kom- paktowa budowa, która pozwala na dość dowolne rozlokowanie poszczególnych elementów w istniejącej infrastruktu- rze. Nie jest wymagane wykonywanie specjalnych przygotowawczych prac budowlanych, takich jak np. wylewanie i poziomowanie fundamentów. Wszyst- kie zastosowane podzespoły są dostępne na terenie kraju.
W artykule przedstawiono przykłady wykorzystania wirtualnych przyrządów pomiarowych w praktyce. Profesjonal- nie przygotowane oprogramowanie umożliwia przeprowadzenie szerokiego zakresu prób. Przytoczone przykłady aplikacji pokazują różnorodność zasto- sowań w codziennej pracy laboratorium badawczego i stacji prób.
Wiele lat doświadczeń, budowania i użytkowania przyrządów wirtualnych oraz różnorodność ich zastosowania pokazuje, że stanowią one istotny ele- ment wyposażenia badawczego labora- torium. Wirtualne przyrządy pomiarowe wykorzystywane są podczas badań sta- cjonarnych prowadzonych na stanowi- skach w laboratorium jako rejestratory szybkozmiennych lub wolnozmiennych przebiegów, analizatory czy zwykłe mierniki.
Szybka modernizacja lub naprawa przyrządu poprzez dodanie nowych
(innych) funkcji, wymianę modułów pomiarowych może zostać zrealizowana w bardzo krótkim czasie, na stanowisku badawczym. Bardzo duże możliwości zapisu czy eksportu wyników pomiaro- wych stanowią również o uniwersalności tego typu urządzeń.
Szeroka gama możliwych do zasto- sowania przetworników i kart pomia- rowych powoduje, że to użytkownik decyduje o parametrach swojego przy- rządu, może więc osiągnąć kompromis pomiędzy dokładnością a ceną przy- rządu wirtualnego i klasycznego. Wyko- rzystanie wysokiej klasy przetworników oraz karty pomiarowej zwiększa dokład- ność pomiarów i rejestracji, ale powo- duje wzrost ceny przyrządu wirtualnego.
Niniejszych zalet brakuje przyrzą- dom zamkniętym (np. analizator mocy).
Przyrządy takie są niezwykle precyzyjne w pomiarach i wykonaniu, co stanowi duży problem podczas ewentualnych napraw serwisowych. Przedstawiony na rysunku 15 analizator mocy jest przy- rządem, którego naprawa w obecnych czasach jest bardzo trudna. Ostatnie egzemplarze przyrządu zostały wypro- dukowane w latach 2006–2007 i po 13 latach od zakończenia produkcji naprawa w serwisie producenta jest praktycznie niemożliwa. Jednak niewątpliwą zaletą takiego przyrządu jest niezwykle wysoka dokładność jego pomiarów, przy zacho- waniu systematycznego kalibrowania.
Literatura
[1] Biernat A., Urbański W.: Wirtualna technika pomiarowa w laboratoriach maszyn elektrycznych. „Napędy i Stero- wanie” 5/2012.
[2] Polak A., Decner A.: Hamownie badawcze nowej generacji. „Maszyny Elektryczne – Zeszyty Problemowe”
3/2016.
[3] Decner A., Barański M.: Wirtualne przyrządy pomiarowe oraz systemy akwizycji danych przeznaczone do badań maszyn elektrycznych. „Maszyny Elektryczne – Zeszyty Problemowe”
23/2015.
artykuł recenzowany
